서 론
기밀성능 기준 및 소규모 노후 공공 임대주택 현황
국내외 기밀성능 기준
국내 기밀성능 적용 현황
소규모 노후 공공 임대주택 현황
소규모 노후 공공 임대주택 기밀성능 측정
대상 건물 개요
기밀성능 측정 결과
소규모 노후 공공 임대주택 기밀성능 영향도 평가
에너지성능 평가 모델 설정
소규모 공동주택 에너지성능 평가
기밀성능 영향도 평가
결 론
서 론
2050 탄소중립을 실현하기 위해선 건물에서의 에너지 저감이 필수적이며 기존 건물에서의 에너지 저감이 동반되어야 한다. 기존 건물에서 소규모 건출물은 에너지절약설계기준에 따라 연면적 500 m2이하의 건물로 규정되어 있다. 소규모 건축물이 차지하는 비율은 전체 동수의 85.06%이며 소형 평수가 주를 이루는 공공 임대주택의 경우 임대주택 전체 호수의 약 53.95%를 차지하고 있다(MOLIT, 2022). 소규모 건물의 경우 대규모 건물에 비해 단위 면적당 에너지 사용량이 크게 나타나지만 에너지성능의 규제 범위에는 포함되지 않고 있다. 또한 소규모 건물의 개선을 위한 리모델링의 투입 비용이 면적 대비 높게 나타나며 특히 노후 임대주택의 경우 취약계층의 주거가 다수를 이루고 있기 때문에 에너지성능 개선을 위해서는 소규모 노후 공공임대주택 건물에 대한 정책 지원이 필요하다.
건물에서의 에너지성능 개선을 위해 건축, 기계 부문의 개선이 이루어지고 있으며 건축 부문에서는 주로 성능 규제가 강화되고 있는 단열성능을 위주로 성능 개선이 이루어지고 있다. 단열성능은 에너지절약설계기준에 따라 단계적으로 강화되어왔으며 지역별, 부위별 단열성능 기준과 같이 관련 세부 지침도 자세하게 제시되고 있다. 이와 달리 기밀성능은 에너지성능 개선을 위한 주요 인자로 연구되고 있으나 단열과는 달리 적용을 위한 제도 및 규정이 미흡한 상황이다.
따라서 본 연구에서는 기밀성능이 건물의 에너지성능에 미치는 영향도를 파악하기 위해 소규모 노후 공공 임대주택을 대상으로 측정을 통해 소규모 노후 건물의 기밀성능을 확인하였다. 기밀성능이 건물 에너지 요구량 및 1차 에너지 소요량에 미치는 영향도를 평가하기 위해 ECO2를 통한 에너지성능 평가를 실시하였으며 에너지 절감율을 통해 기밀에 대한 영향을 분석하였다. 에너지성능 평가는 두 단계로 구분되어 진행되었으며 기존건물의 에너지성능과 대비하여 단열, 기밀성능, 조명, 환기효율의 각 인자가 전체 에너지성능에 미치는 영향도와 기밀을 제외한 인자를 현행 기준으로 고정하고 기밀성능을 개선하였을 때 기밀성능의 변화가 전체 에너지성능에 미치는 영향도로 제시되었다. 또한, 건물 연도별 기밀성능 데이터를 통해 개선된 기밀성능 기준을 적용하였을 경우 각 연도별 건물 에너지 저감에 대한 기밀성능 영향도를 평가하였다.
기밀성능 기준 및 소규모 노후 공공 임대주택 현황
국내외 기밀성능 기준
건물의 기밀성능은 에너지성능에 영향을 미치는 중요한 요소이다(Nabinger and Persily, 2011; Kang et al., 2017; Liu et al., 2021). 건물의 기밀성능을 만족하기 위해 각 국가에서는 건물 및 건물 구성 요소들이 달성해야 하는 기밀성능 값에 대해 제시하고 있다. 건물의 기밀성능 기준은 건물의 용도나 규모에 따라 최소한으로 달성되어야 하는 기준과 에너지 효율등급과 같이 건물에서 요구하는 성능을 만족시키기 위해 등급에 따라 제시되어 있는 기준으로 구분된다.
국외의 기밀성능 기준은 기후 조건, 건물 유형, 설비 및 규제사항들을 고려하여 제시되어 있으며 주로 일정한 압력차에서의 ACH50, Air permeability로 표현된다. Table 1은 각 국가의 기밀성능 기준을 나타낸 표이다(Jo and Choi, 2023). 해당 기준들은 기후나 건물유형, 자재에 따라 다양하게 제시되어 있다. 국내의 기밀성능 기준은 제도적으로 아직 지정된 내용이 없으며 ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’, ‘건축물의 에너지절약설계기준’에 일부 현관문 및 창호에 대한 기밀성능을 고시하고 있다.
Table 1.
Airtightness value of each country
국내 기밀성능 적용 현황
국내에서는 법적으로 규정된 기밀성능 기준은 없으나 건축물에너지효율등급인증과 한국건축친환경설비학회의 기밀성능 기준(KIAEBS C-1:2013 건축물의 기밀성능 기준)에서 해당 기준을 규정하고 있다. 건축물에너지효율등급인증제도는 건물의 에너지 절약 및 에너지성능 향상을 위해 ECO2 프로그램을 기반으로 단위면적당 1차에너지소요량을 기준으로 하여 건물의 등급을 산출하는 제도이다. ECO2 프로그램에 기밀성능 값(ACH50)을 입력하도록 되어 있으며 주거 부문의 경우 예비 인증시 6.0회/h, 본 인증시 실측 값을 사용하며 비주거 부문의 경우 1.5회/h를 입력하도록 되어 있다. 한국건축친환경설비학회에서 규정한 건축물의 기밀성능 기준(KIAEBS C-1:2013 건축물의 기밀성능 기준)은 3가지 건물 유형으로 구분되며 모든 건물의 경우 ACH50 5.0회/h 이하, 에너지 절약 건물의 경우 ACH50 3.0회/h 이하, 제로 에너지 건물의 경우 ACH50 1.5회/h 이하로 규정되어 있다(KIAEBS, 2013). 기밀성능은 에너지성능에 영향을 미치는 주요 요소 중 하나로 기밀성능의 필요성 및 적용에 대한 인식이 넓혀지고 있는 반면에 제도적 규제 및 세부 규정의 미비로 기밀성능을 통한 에너지 저감 방안에 대한 적용이 보편화 되고 있지는 않다.
소규모 노후 공공 임대주택 현황
현재 공동주택 전체 호수의 44.70%는 2000년대 이전에 지어졌으며 연면적 100 m2 이하가 전체 호수의 83.60%를 차지하고 있다. 임대주택은 공동주택 전체 호수의 17.18%를 차지하고 있으며 공공 임대주택의 경우 임대주택 전체 호수의 약 53.95%를 차지한다(MOLIT, 2022; KOSIS, 2022). 소규모 노후 공공 임대주택은 대형건물에 비해 면적대비 에너지 사용량이 높으며 건물의 리모델링에 대한 투입 비용이 높다. 또한 프로젝트를 통해 사업비를 충당하는 대형 건물에 비해 소규모 건물의 경우 정부 또는 개인 건축주의 비용 부담으로 진행되기 때문에 비용에 대한 부담이 크다. 더욱이 해당 주택은 취약계층의 주거가 대부분으로 구성됨에 따라서 전체 건물에서의 에너지 소비량 저감을 위해선 소규모 건물의 노후화 개선이 필요하며 이를 실행하기 위해서는 정부차원에서의 지원이 필요하다.
소규모 노후 공공 임대주택 기밀성능 측정
대상 건물 개요
대상 건물은 1992년에 준공된 복도식 공동주택으로 중부지역에 위치하였다. 12층 규모의 공동주택으로 지역난방을 통한 난방 및 급탕을 실시하고 있으며 옥상에 태양광이 설치되어 있었다. 기밀성능 측정은 해당 건물의 10세대를 대상으로 진행되었다. 각 세대의 단위 면적은 26.37 m2로 모두 동일 평면을 가지며 침실, 거실 및 주방, 화장실, 발코니로 구획되어 있다(Figure 1). 설치된 창호는 슬라이딩 창호로 단창 또는 이중창으로 구성되어 있으며 프레임은 목재 또는 PVC로 구성되어 있다. 대상 세대들은 환기장치 및 냉방장치는 설치되어 있지 않았으며 지역난방을 이용한 난방 및 급탕이 적용되어 있었다.
기밀성능 측정 결과
10세대를 대상으로 기밀성능 측정을 진행하였으며 측정 세대는 최상층, 최하층, 측면, 중간 세대로 구성하였다. 세대에서 기밀 구획이 되어 있지 않은 발코니는 측정면적에서 제외하였으며 측정 세대의 외부로 연결되는 문과 창문은 모두 닫고 세대 내의 실내문은 모두 열어두었다. 각 세대의 배기 장치와 배수구에는 기밀처리를 실시하였다. 기밀성능 측정은 가압/감압법을 이용하여 ISO 9972에 따라 진행되었으며 측정 장비를 이용하여 10~60 Pa의 압력차에서 10 Pa 간격으로 기밀성능을 측정하였다. 가압과 감압을 모두 수행하였으며 측정 결과는 두 측정 결과의 평균 값으로 Table 2에 나타내었다.
기밀성능 측정 결과 ACH50은 최소 9.1회/h, 최대 20.1회/h, 평균 12.1회/h로 측정되었다. 각 세대의 위치로 인한 기밀성능의 차이는 나타나지 않았으나 B세대의 경우 AD/PD의 벽체를 통해 발생한 누기로 인해 기밀성능 결과에 차이가 발생하였다.
소규모 노후 공공 임대주택 기밀성능 영향도 평가
에너지성능 평가 모델 설정
에너지성능에 미치는 기밀성능 영향도 평가를 위해 에너지성능 평가 모델을 설정하였다. 에너지성능 평가 모델은 기존 모델과 에너지성능 인자 개선 모델, 통합 에너지성능 개선 모델로 구분하였다. 기존 모델의 경우 대상 건물의 도서 정보 및 현장 답사를 통해 취득한 정보, 측정 데이터를 사용하였으며 취득할 수 없는 데이터는 법적 기준을 적용하였다. 에너지성능 인자 개선 모델은 각 인자가 에너지성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 모델로써 현재 법적 기준 및 에너지효율등급인증 평가에서 적용하는 주거건물의 기준을 고려한 모델이며 통합 에너지성능 개선 모델은 리모델링시 적용하는 개선 요소인 단열, 기밀, 조명, 환기에 대해 개선한 모델로서 전체적으로 에너지성능에 영향을 미치는 요소들을 개선시키면서 에너지 효율 건물에 요구하는 기밀성능 기준을 적용하였을 때의 영향을 분석하기 위한 모델이다. 각 모델에 적용한 기준은 에너지절약형 친환경주택의 건설기준, 에너지효율등급인증기준, 건강친화형 주택 건설기준을 바탕으로 설정되었으며 각 평가 모델의 상세사항은 Table 3에 나타내었다. 해당 기준 값은 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 및 에너지효율등급인증을 고려하여 설정하였으며 실제 대상건물에 적용되어 있지 않은 환기장치의 경우 풍량 50 CMH, 동력 0.02 kW로 모델을 설정하였다.
Table 3.
The case of energy performance model
| Insulation (W/m2K) |
Airtighness (h-1) |
Light (W/m2) |
Ventilation (%) | |||||
| Wall |
Roof & Floor |
Window (directly) |
Window (indirectly) | |||||
| Base case | M1 | 0.90 / 0.44 | 0.15 | 3.10 | 3.10 | 12.1 | 10.03 | - |
|
Factor improvement case | A1 | 0.17 / 0.24 | 0.15 | 0.90 | 1.50 | - | - | - |
| A2 | - | - | - | - | 6.0 | - | - | |
| A3 | - | - | - | - | - | 8.00 | - | |
| A4 | - | - | - | - | - | - | H: 75 C: 65 | |
|
Total improvement case | B1 | 0.17 / 0.24 | 0.15 | 0.90 | 1.50 | 6.0 | 8.00 | H: 75 C: 65 |
| B2 | 0.17 / 0.24 | 0.15 | 0.90 | 1.50 | 1.5 | 8.00 | H: 75 C: 65 | |
| B3 | 0.17 / 0.24 | 0.15 | 0.90 | 1.50 | 0.6 | 8.00 | H: 75 C: 65 | |
소규모 공동주택 에너지성능 평가
에너지성능에 미치는 기밀성능 영향도 평가를 위해 ECO2를 통한 에너지성능 평가를 실시하였다. 에너지성능 평가 결과는 Table 4와 같이 에너지 요구량(kWh/m2yr) 및 에너지 요구량 절감율(%), 1차 에너지 소요량(kWh/m2yr) 및 1차 에너지 절감율(%)로 나타내었다. 각 모델에 대한 성능 평가 결과 성능 인자를 개선하였을 경우 요구량은 최소 0.97%에서 최대 38.93%, 1차 에너지 소요량은 최소 3.40%에서 최대 26.82%의 에너지 저감이 이루어졌다. 통합 성능을 개선하였을 경우 요구량은 최소 59.99%에서 최대 68.11%, 1차 에너지 소요량은 최소 44.49%에서 최대 51.66%의 에너지 저감이 이루어졌다.
Table 4.
Primary energy consumption and reduction rates according to the model
기존 모델의 경우 에너지 요구량은 184.7 kWh/m2yr, 1차 에너지 소요량은 246.8 kWh/m2yr로 나타났다. 에너지성능 인자 개선 모델은 단열(A1), 기밀(A2), 조명(A3), 환기 효율(A4)에 대한 에너지 요구량은 각각 112.8, 161.1, 182.9, 164.4 kWh/m2yr로 나타났으며 1차 에너지 소요량은 각각 180.6, 225.7, 238.4, 228.6 kWh/m2yr으로 나타났다. 해당 개선안에서는 요구량 및 1차 에너지 소요량 모두 단열 개선에 대한 에너지 저감이 가장 크게 나타났으며 기밀, 환기 효율, 조명 순으로 효과적임을 확인할 수 있다. 다만, 이는 기존 건물의 외피 노후화로 인한 단열성능 약화 및 건물의 법적 규제 강화로 인한 전반적인 단열성능 기준이 강화되었기 때문에 해당 요소 개선이 가장 효과적인 것으로 분석되었다.
통합 에너지성능 개선 모델은 전체 요소 개선 모델(B1)의 경우 에너지 요구량은 73.9 kWh/m2yr, 1차 에너지 소요량은 137.0 kWh/m2yr로 나타났으며 건물의 기밀 수준을 국내 학회표준의 제로에너지 건물 기준인 1.5회/h로 하였을 경우 에너지 요구량은 61.1 kWh/m2yr, 1차 에너지 소요량은 123.0 kWh/m2yr, 독일 패시브하우스 기준인 0.6회/h로 하였을 경우 에너지 요구량은 58.9 kWh/m2yr. 1차 에너지 소요량은 119.3 kWh/m2yr로 나타났다. 전체적인 성능 인자의 개선을 통해서 기존 건물 대비 에너지 요구량 저감이 약 60%가 가능해지며 기밀성능을 제로에너지 및 패시브 수준을 적용하였을 경우 약 68%의 효율 향상이 가능하였다.
기밀성능 영향도 평가
단열성능은 이미 순차적으로 단열기준이 강화됨에 따라 노후 건물과 현재 단열성능 기준에 큰 차이를 갖게 되었으며 이에 따라 에너지 절감 효율이 크게 나타나게 된다. 현재 ECO2를 통해 적용되고 있는 기밀성능 예비인증 값인 6.0회/h는 현재 건물의 기밀 수준을 나타낸 값이나 실제 건물의 기밀성능 및 건물에 요구되고 있는 기밀성능과는 차이가 있다. 따라서 건물에 요구되는 기밀성능을 만족하였을 경우 에너지 저감에 미치는 영향을 분석하기 위해 기밀성능 영향도 분석을 수행하였다. 이를 위하여 실제 건물의 기밀 수준과 건물에서 요구되고 있는 기밀 수준을 적용하여 그 차이를 분석하였다. 다음 Figure 2는 측정 및 논문에 의해 수집된 기밀성능 데이터(BAIP, 2023)를 바탕으로 공동주택의 연도별 기밀성능을 나타낸 그래프이다. 2000년대 이전 공동주택의 평균 기밀성능은 13.3회/h, 2000~2010년도의 평균 기밀성능은 3.5회/h, 2010년도 이후 평균 기밀성능은 2.5회/h로 나타났다. 2000년대 이전의 건물의 기밀성능은 평균 기밀성능이 13회/h로 건물이 기밀하지 못한 수준이었으나 2000년대 이후의 건물들은 기밀성능이 5회/h 이하로 나타나며 평균 3회/h로 양호한 기밀 수준을 나타내었다.
각 연도별 기밀성능을 앞서 적용하였던 제로에너지 건물 기준인 1.5회/h와 패시브하우스 기준인 0.6회/h를 적용하여 Table 5에 그 차이를 나타내었다. 에너지 요구량에 대해 2000년대 이전, 2000~2010년, 2010년 이후의 건물의 기밀성능을 1.5회/h로 개선할 경우 약 24%, 5%, 3%의 에너지 저감이 가능했으며 건물의 기밀성능을 0.6회/h로 개선할 경우 약 26%, 7%, 5%의 저감이 가능했다. 에너지 요구량에 대해 적용한 기밀성능을 1.5회/h에서 0.6회/h로 개선 하였을 경우 약 2%의 저감량의 차이가 발생하였으며 1차 에너지 소요량의 경우 약 1%의 저감량의 차이가 발생하였다.
따라서, 2000년대 이전의 건물의 기밀성능을 개선할 경우 에너지 요구량의 경우 약 24~26%의 높은 수준의 저감이 가능하며 이미 양호한 기밀수준을 보이는 2000년대 이후의 건물에서도 약 3~7%의 저감 효과를 기대할 수 있다. 다만, ECO2 프로그램에서는 단독주택이나 저층건물 대상의 기밀성능 데이터를 기반으로 산정된 자연상태의 침기량을 작게 환산하여 에너지성능평가에 반영하고 있다. 따라서 우리나라의 계절별 압력차(침기 유발 구동력)를 고려하게 되면 현재 계산된 결과보다 기밀성능에 대한 영향도가 크게 나타날 것으로 예상되며 이를 고려한 상세한 묘사 및 평가가 필요하다.
Table 5.
Comparison of primary energy consumption reduction rates according to airtightness standards
결 론
본 연구에서는 정책적 지원이 필요한 소규모 노후 공공 임대주택을 대상으로 에너지성능 개선을 위한 주요 고려 요소인 기밀성능에 대한 영향을 평가하였다. 소규모 노후 공동주택의 기밀성능이 건물 에너지성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 실측을 통하여 기밀성능을 파악하였으며 에너지 요구량 및 1차에너지소요량을 통한 에너지성능 평가를 실시하였다. 또한, 기밀성능 영향도의 평가를 위하여 연도별 공동주택 기밀성능 수준을 파악하여 기밀성능 개선에 대한 에너지 저감 효과를 분석하였다. 다음은 해당 결과를 요약한 내용이다.
(1)소규모 노후 공공 임대주택의 기밀성능 측정 결과 최소 9.1회, 최대 20.1회, 평균 12.1회로 주거건물에 요구되는 기밀성능에 비해 현저하게 낮은 것으로 나타났다.
(2)에너지성능 평가 결과 단열의 개선 효과가 가장 컸지만 이는 기존 건물의 외피 노후화 및 단열성능의 지속적인 규제 강화로 인한 영향으로 보이며 기밀성능의 수준을 패시브하우스 수준으로 적용하였을 경우 약 24%의 에너지 요구량 및 약 16%의 1차 에너지소요량 저감이 가능하였다.
(3)2000년대 이후의 건물의 기밀성능은 에너지효율등급 예비인증 시 적용하는 기밀성능 6 회/h과 비교하였을 경우 비교적 높은 수준으로 나타났으나 2000년대 이전의 기밀성능은 약 13.3회/h로 낮은 기밀성능이 나타났으며 이를 제로에너지 및 패시브 기준으로 기밀성능을 개선하였을 경우 약 24~26%의 에너지 요구량 및 약 16~17%의 1차 에너지 소요량 저감이 가능하다.
해당 결과는 중부지역에 위치한 노후 소규모 세대를 대상으로 한 결과로 기밀성능에 큰 차이를 보이는 2000년대 이전의 노후화된 건물의 지역 기후에 따른 기밀성능의 파악이 필요하며 추가적으로 우리나라의 계절별 압력차(침기 유발 구동력)를 고려한 기밀성능의 상세한 묘사 및 평가가 필요하다.
